基于壓電發電的共享單車自發電和儲能技術研究

艾文昊

（洛陽市第一高級中學，河南洛陽，471000）

0 引言

隨著社會的不斷進步，共享單車逐漸走進了我們的生活[1]。共享單車的衛星定位、聯網開鎖等功能需要電能的供應，即自發電技術。現在的共享單車普遍的電能供應方式是利用太陽能電池板供電和利用后輪旋轉帶動發電機供電。經分析，兩種方式均存在缺陷。太陽能電池板供電對光照強度要求嚴格，陰雨天及夜晚無法產生足夠強的電壓，并且車筐內的小廣告或騎行者雜物會遮擋并影響太陽能電池板的正常工作。后輪發電機供電的方案將發電機轉軸與車輪或鏈條相連接，當自行車運動時發電機也隨之產生電能，因此對環境要求比較低，但會增大騎行者的體力消耗，致使用戶體驗較差。因此，有必要對共享單車的自發電和儲能技術做進一步研究。

共享單車、自行車的自發電技術已有一些研究。王博等[2]通過接觸輪和自行車后輪之間的傳動驅動交流發電機發電，具有拆卸方便的優點，但是會損耗一部分輪胎動能并增加騎行者體力消耗。陳宇侃等[3]提出在自行車上通過腳踏曲柄帶動發電機工作進行發電的設想。梁壯壯等[4]設計了傳動齒輪與鏈盤齒輪咬合傳動，帶動發電機發電。鄧麗敏等[5]設計了齒輪系結合直流發電機將輪軸動能轉化為電能。上述設計均存在損耗自行車動能的缺點，且安裝需要額外占用空間。

針對現有研究的不足，本文擬利用智能材料—壓電陶瓷來發電，通過收集和轉化自行車在騎行中的能量損耗來產生電能，并根據壓電發電的特點設計了多種方案以及自行車發電與供電電路，提高轉化效率。

1 壓電效應及壓電振子設計

利用壓電陶瓷把輪胎與地面接觸擠壓過程中所耗散的能量搜集起來，不僅能節省騎行者體力，而且對環境、騎行路況等要求不高。更可貴的是此設計是在自行車的現有結構上安裝壓電陶瓷，不需要再占用額外的空間，在空間利用上優于現有技術方案。其中，壓電振子的設計是關鍵之一。由于壓電陶瓷脆性較大，容易受到破壞，因此一般將壓電陶瓷與金屬材質的振動板粘結在一起應用，即為壓電振子。又考慮到壓電發電存在電流弱，功率小的問題，因此希望增大壓電振子的振動幅度以提高轉化效率。為了提高轉化效率可以從幾個方面著手，即選擇合適的約束方式、結構，并盡量使諧振頻率接近被收集振動的頻率。

壓電振子常見的約束方式包括固支、簡支、懸臂。懸臂式約束相對另外兩種約束方式，振子柔性最大，在相同情況下振動幅度最大，因此選用懸臂梁式結構。而壓電振子結構包括單面壓電陶瓷結構和雙晶片結構等，雙晶片結構相當于把兩層單面壓電陶瓷結構貼在一起，在相同條件的振動下其產生的電能是單面壓電陶瓷結構的兩倍，故選用雙晶片結構。此外，由于雙晶片結構包括兩片壓電陶瓷，還需要對連線方式進行設計，常見連線方式包括串聯和并聯。并聯可以增加輸出電流，對電壓影響不大。考慮到蓄能快慢主要跟電流有關，因此采用并聯的方式。再深入到壓電陶瓷內部，還有一類多層壓電陶瓷[6]，即把壓電陶瓷做成多層結構，每一層很薄，這樣可以顯著增大各層的電場強度，增強壓電效應，使壓電振子能夠發出更多的電能。

因此，設計中的核心原件—壓電振子采用懸臂約束方式、雙晶片結構及并聯連線方式、壓電陶瓷采用多層結構，保證壓電振子的能量轉化效率。

2 設計方案一

圖1 方案一示意圖

將壓電振子與免充氣實心輪胎相結合，在輪胎周向任一處位置設置壓電振子。參考圖1，壓電振子平行于輪胎鋼圈的切線放置，雙晶片結構中兩片壓電陶瓷并聯連接，通過導線經過輻條導至輪軸處，又通過電刷與車架上的整流、濾波、穩壓電路連接。騎行中，輪胎每一位置周期性接觸地面，當輪胎安裝壓電振子的部分與地面發生擠壓時，壓電振子發生彈性形變，當輪胎安裝壓電振子的部分與地面脫離接觸后，壓電振子恢復原形。每一次施加壓力發生形變時，壓電振子的兩端會產生極性相反的電荷，通過回路而形成電流，從而達到為蓄電池充電的目的。

3 設計方案二

方案一中僅在輪胎周向一處設置壓電振子，每轉一周壓電振子僅工作一次，頻率太低，能量轉化效率也太低，因此考慮在輪胎周向布置多處壓電振子，提高能量轉化效率。參考圖2，方案二將方案一中的壓電振子數量增加為三個，均勻分布在輪周，壓電振子工作頻率提高三倍。工作原理也與方案一的相似。每個壓電振子雙晶片結構的引線方式也全部為并聯，最終在輪軸處通過電刷與車架上的整流、濾波、穩壓的電路連接。

圖2 方案二示意圖

4 設計方案三

圖3 方案三示意圖

前述設計方案二中仍存在著在騎行中壓電振子振動頻率太低的問題，若能在騎行速度不變的條件下提高振動頻率，則可以大大提高輸出的電能。因此，方案三在周向三處均布壓電振子的基礎上，對每一處壓電振子增加了傳動裝置設計。參考圖3，在壓電振子一端設置傳動齒輪組，當輪胎接觸地面時A向上滑動，帶動齒輪B旋轉，齒輪B和齒輪C同軸固連，齒輪C與齒輪D為一對圓錐齒輪（圖中省略了齒輪C和齒輪D的配合齒），因此帶動齒輪D在垂直軸上轉動，齒輪D上有很多凸起，每轉一個小的角度即會與壓電振子端部發生多次擠壓，即打擊雙晶片結構的壓電振子，產生電能。電能搜集電路仍采用二極管電橋整流電路。方案三中，所有齒輪的轉軸均直接或間接固定在輪胎鋼圈，圖中為了更好展示各齒輪連接關系，沒有畫出齒輪轉軸。

5 電路設計

方案一和方案三采用普通二極管電橋整流，電路如圖4所示，二極整流電路的核心是4個整流二極管。利用全波整流電橋保證輸出端電動勢穩定，給蓄電池充電。但是波形波動較大，有必要進一步設計濾波、穩壓電路。

圖4 二極管全波整流電橋

方案二采用三相二極管整流電路，如圖5所示，三相整流電路的核心是6個整流二極管組成的電橋。可以分析得到，任何電位情況下，輸出端上端子總為高電位，輸出端下端子總為低電位，即達到了整流效果，并可以較穩定的為蓄電池充電。但是，輸出端電壓仍存在較大波動，通過濾波電容和穩壓芯片7805達到進一步的整流、穩壓效果。

圖5 三相二極管整流、濾波、穩壓電路圖

6 結論

本論文利用壓電陶瓷進行自行車自發電和儲能技術研究，具有節省騎行者體力，而且對環境、騎行路況等要求不高的優點。研究得出以下主要結論：

（1）將壓電振子優選為懸臂約束方式、雙晶片結構及并聯連線方式、壓電陶瓷采用多層結構。

（2）方案一提出在輪胎周向任一處位置設置壓電振子的發電方案；方案二提出在輪胎周向均布的三處位置設置壓電振子的發電方案，發電效率更高。方案三通過齒輪組來增大對壓電振子的打擊頻率，進一步提升發電效率。

（3）設計了二極管全波整流電橋和三相二極管整流、濾波、穩壓電路起到對壓電發電起到整流、濾波、穩壓作用。

此設計還有一些不足，例如額外增加了一些成本、對輪胎彈性有一些損失。